DE102016108734B4 - Coated body and method of making the body - Google Patents
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Abstract
Beschichteter Körper mit einem Substrat und einer durch physikalisches Aufdampfen auf das Substrat aufgebrachten verschleißfesten Beschichtung, wobei die Beschichtung Folgendes umfasst:
eine auf das Substrat aufgebrachte Grundschicht in einer Dicke von 1 bis 10 µm, wobei die Grundschicht aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall aus der aus Ti, Cr, Si, Zr und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet ist; und
eine an die Grundschicht angrenzende Deckschicht in einer Dicke von 0,1 bis 5 µm, wobei die Deckschicht sich wiederholende Wechselschichten aus einer Oxinitridlage und einer über der Oxinitridlage angeordneten Nitridlage umfasst,
wobei die Oxinitridlage aus einem Oxinitrid von Aluminium und wahlweise weiteren Metallen aus der aus Chrom, Hafnium, Zirkonium, Yttrium, Silizium und Kombinationen davon bestehenden Gruppe und die Nitridlage aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall aus der aus Ti, Cr, Si, Zr und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet ist,
wobei in den sich wiederholenden Wechselschichten zwischen der Oxinitridlage und der Nitridlage und wahlweise zwischen aufeinanderfolgenden Wechselschichten jeweils eine Zwischenlage vorgesehen ist, die aus einem Oxinitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall aus der aus Ti, Cr, Si, Zr und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet ist und
wobei die Oxinitridlage einen Sticktoffanteil von weniger als 50 Atomprozent, bezogen auf den Anteil von Stickstoff und Sauerstoff in der Oxinitridlage, aufweist.A coated body having a substrate and a wear resistant coating applied to the substrate by physical vapor deposition, the coating comprising:
a base layer applied to the substrate to a thickness of 1 to 10 µm, the base layer being formed from a nitride of aluminum and at least one other metal from the group consisting of Ti, Cr, Si, Zr and combinations thereof; and
a cover layer adjoining the base layer with a thickness of 0.1 to 5 µm, the cover layer comprising repeating alternating layers of an oxynitride layer and a nitride layer arranged over the oxynitride layer,
wherein the oxynitride layer is an oxynitride of aluminum and optionally other metals from the group consisting of chromium, hafnium, zirconium, yttrium, silicon and combinations thereof and the nitride layer is a nitride of aluminum and at least one other metal from the group consisting of Ti, Cr, Si , Zr and combinations thereof is formed,
wherein in the repeating alternating layers between the oxynitride layer and the nitride layer and optionally between successive alternating layers there is an intermediate layer formed from an oxynitride of aluminum and at least one other metal from the group consisting of Ti, Cr, Si, Zr and combinations thereof is and
wherein the oxynitride layer has a nitrogen content of less than 50 atomic percent based on the content of nitrogen and oxygen in the oxynitride layer.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen beschichteten Körper, insbesondere ein Schneidwerkzeug, mit einem Substrat und einer verschleißfesten Beschichtung auf dem Substrat sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.The present invention relates to a coated body, in particular a cutting tool, with a substrate and a wear-resistant coating on the substrate, and a method for its production.
Die zur spanabhebenden Bearbeitung von Metallen und Metalllegierungen wie Stahl und Gusseisen eingesetzten Schneidwerkzeuge bestehen üblicherweise aus einem Grundkörper und einer auf den Grundkörper aufgebrachten Beschichtung, die eine oder mehrere Lagen von Hartstoffen wie Titannitrid, Titancarbid, Titancarbonitrid, Titanaluminiumnitrid und/oder Aluminiumoxid umfassen kann. Die Beschichtung dient dazu, den Schneideinsatz härter und/oder verschleißfester zu machen und die Schneideigenschaften zu verbessern. Zum Aufbringen der Beschichtung werden sowohl CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition) als auch PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition) verwendet.The cutting tools used for machining metals and metal alloys such as steel and cast iron usually consist of a base body and a coating applied to the base body, which can include one or more layers of hard materials such as titanium nitride, titanium carbide, titanium carbonitride, titanium aluminum nitride and/or aluminum oxide. The coating serves to make the cutting insert harder and/or more wear-resistant and to improve the cutting properties. Both CVD processes (Chemical Vapor Deposition) and PVD processes (Physical Vapor Deposition) are used to apply the coating.
Als PVD-Verfahren sind insbesondere das Lichtbogenverdampfen (arc-PVD) und das Kathodenzerstäuben (Sputtern) bekannt. Beim Sputtern werden Atome aus einem Kathodenmetall (Target) durch Beschuss mit energiereichen Ionen aus einem Plasma beschossen und anschließend auf einem in der Nähe des Targets angeordneten Substrats abgeschieden. In Anwesenheit eines Reaktivgases bilden sich auf dem Substrat Umsetzungsprodukte der Targetatome und des Reaktivgases. Als Arbeitsgas zur Erzeugung des Plasmas dient meistens ein Edelgas wie Argon.In particular, arc evaporation (arc-PVD) and cathode sputtering (sputtering) are known as PVD processes. In sputtering, atoms from a cathode metal (target) are bombarded by energetic ions from a plasma and then deposited onto a substrate placed near the target. In the presence of a reactive gas, reaction products of the target atoms and the reactive gas form on the substrate. An inert gas such as argon is usually used as the working gas to generate the plasma.
Die PVD-Verfahren werden üblicherweise zur Abscheidung von Titannitrid und Titanaluminiumnitrid eingesetzt. Die Aluminiumzugabe erhöht die Härte und Oxidationsbeständigkeit der Titannitrid-Schichten. Bekannt ist auch die Verwendung von titanfreien Schichten wie AlCrN, die mit weiteren chemischen Elementen wie Silizium zur Verbesserung der Schichteigenschaften dotiert werden können.The PVD processes are commonly used to deposit titanium nitride and titanium aluminum nitride. The addition of aluminum increases the hardness and oxidation resistance of the titanium nitride layers. Also known is the use of titanium-free layers such as AlCrN, which can be doped with other chemical elements such as silicon to improve the layer properties.
PVD-Verfahren zur Abscheidung von harten Aluminiumoxid-Schichten verwenden spannungsgepulste Kathoden, um eine Vergiftung der Metalltargets durch das elektrisch nicht-leitende Aluminiumoxid zu vermeiden. Zur Erzeugung der Aluminiumoxid-Schicht können zwei Magnetron-Zerstäubungsquellen mit Aluminiumtargets so mit einem Sinusgenerator verbunden werden, dass die beiden Zerstäubungsquellen mit einer Pulswechselfrequenz von zwischen 20 und 100 kHz im Wechsel als Anode und Kathode der Sputteranordnung wirken.PVD processes for the deposition of hard aluminum oxide layers use voltage-pulsed cathodes in order to avoid poisoning of the metal targets by the electrically non-conductive aluminum oxide. To produce the aluminum oxide layer, two magnetron sputtering sources with aluminum targets can be connected to a sine wave generator in such a way that the two sputtering sources act alternately as the anode and cathode of the sputtering arrangement with a pulse frequency of between 20 and 100 kHz.
Die
Aus der
Um die Anbindung der chromhaltigen Funktionslage zu verbessern, ist gemäß der
Die
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Die
Die
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, weitere Beschichtungen für Schneidwerkzeuge mit verbesserter Leistung und erhöhter Standzeit für die Zerspanung von verschiedenen Metallen und MetallLegierungen bereitzustellen.The object of the present invention is to provide further coatings for cutting tools with improved performance and increased service life for the machining of various metals and metal alloys.
Die Aufgabe der wird erfindungsgemäß durch einen beschichten Körper gemäß Anspruch 1, einen beschichten Körper gemäß Anspruch 13, einem Verfahren gemäß Anspruch 14 sowie einem Verfahren gemäß Anspruch 26.The object of is achieved according to the invention by a coated body according to claim 1, a coated body according to claim 13, a method according to claim 14 and a method according to claim 26.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen beschichteten Körper mit einem Substrat und einer durch physikalisches Aufdampfen auf das Substrat aufgebrachten verschleißfesten Beschichtung gelöst, wobei die Beschichtung Folgendes umfasst:
- eine auf das Substrat aufgebrachte Grundschicht in einer Dicke von 1 bis 10 µm, bevorzugt 1 bis 5 µm, wobei die Grundschicht aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall aus der aus Ti, Cr, Si, Zr und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet ist; und
- eine an die Grundschicht angrenzende Deckschicht in einer Dicke von 0,1 bis 5 µm, bevorzugt 0,1 bis 3 µm, wobei die Deckschicht sich wiederholende Wechselschichten aus einer Oxinitridlage und einer über der Oxinitridlage angeordneten Nitridlage umfasst, wobei die Oxinitridlage aus einem Oxinitrid von Aluminium und wahlweise weiteren Metallen aus der aus Chrom, Hafnium, Zirkonium, Yttrium, Silizium und Kombinationen davon bestehenden Gruppe und die Nitridlage aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall aus der aus Ti, Cr, Si, Zr und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet ist;
- wobei in den sich wiederholenden Wechselschichten zwischen der Oxinitridlage und der Nitridlage und wahlweise zwischen aufeinanderfolgenden Wechselschichten jeweils eine Zwischenlage vorgesehen ist, die aus einem Oxinitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall aus der aus Ti, Cr, Si, Zr und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet ist und
- wobei die Oxinitridlage einen Sticktoffanteil von weniger als 50 Atomprozent, bezogen auf den Anteil von Stickstoff und Sauerstoff in der Oxinitridlage, aufweist.
- a base layer applied to the substrate in a thickness of 1 to 10 µm, preferably 1 to 5 µm, the base layer being formed from a nitride of aluminum and at least one other metal from the group consisting of Ti, Cr, Si, Zr and combinations thereof is; and
- a top layer adjoining the base layer with a thickness of 0.1 to 5 μm, preferably 0.1 to 3 μm, the top layer comprising repeating alternating layers of an oxynitride layer and a nitride layer arranged over the oxynitride layer, the oxynitride layer consisting of an oxynitride of aluminum and optionally other metals from the group consisting of chromium, hafnium, zirconium, yttrium, silicon and combinations thereof; and the nitride layer is a nitride of aluminum and at least one other metal from the group consisting of Ti, Cr, Si, Zr and combinations thereof is formed;
- wherein in the repeating alternating layers between the oxynitride layer and the nitride layer and optionally between successive alternating layers there is an intermediate layer formed from an oxynitride of aluminum and at least one other metal from the group consisting of Ti, Cr, Si, Zr and combinations thereof is and
- wherein the oxynitride layer has a nitrogen content of less than 50 atomic percent based on the content of nitrogen and oxygen in the oxynitride layer.
Durch die Einlagerung von Stickstoff und wahlweise anderen Metallen wie Cr, Hf, Zr, Y, und/oder Si in das Kristallgitter von Aluminiumoxid unter Bildung einer Oxinitridlage gelingt es überaschenderweise, die Standzeit von Schneidwerkzeugen mit erfindungsgemäß beschichteten Substraten beim Nass-/ und oder Trockenfräsen von Werkstoffen wie Stahl, insbesondere rostfreien Stahl (SS) oder Schnellarbeitsstahl (HSS), und/oder Gusseisen gegenüber Schneidwerkzeugen mit bekannten Beschichtungen deutlich zu erhöhen. Die Bereitstellung von wenigstens einer Wechselschicht aus Oxinitridlage und Nitridlage führt dazu, dass die Decklage insgesamt dünner ausgebildet werden kann, ohne zu einer Reduzierung der Standzeit des beschichteten Schneidwerkzeugs zu führen.By incorporating nitrogen and optionally other metals such as Cr, Hf, Zr, Y and/or Si in the crystal lattice of aluminum oxide to form an oxynitride layer, it is surprisingly possible to increase the service life of cutting tools with substrates coated according to the invention during wet and/or dry milling of materials such as steel, in particular stainless steel (SS) or high-speed steel (HSS), and/or cast iron compared to cutting tools with known coatings. The provision of at least one alternating layer of oxynitride layer and nitride layer means that the cover layer can be made thinner overall without leading to a reduction in the service life of the coated cutting tool.
Die Erfinder haben erkannt, dass die durch Einlagerung von Stickstoff in das Kristallgitter von Aluminiumoxid modifizierten Schichten im Vergleich zu reinen Oxidschichten eine höhere Härte aufweisen. Gleichzeitig ist die Verschleißbeständigkeit bei hohen Temperaturen verbessert. Im Vergleich zu den wahlweise mit Sauerstoff dotierten Nitridschichten ist die Oxidationsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Beschichtung verbessert und es wird eine mindestens vergleichbare Härte sowie Verschleißbeständigkeit erreicht.The inventors have recognized that the layers modified by the incorporation of nitrogen in the crystal lattice of aluminum oxide have greater hardness than pure oxide layers. At the same time, wear resistance at high temperatures is improved. In comparison to the nitride layers optionally doped with oxygen, the oxidation resistance of the coating according to the invention is improved and at least comparable hardness and wear resistance are achieved.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen beschichteten Körpers geeignete Substrate sind bekannt. Beispielsweise kann das Substrat aus einem Hartmetall, Cermet, kubischem Bornitrid (pcBN), Stahl oder Schnellarbeitsstahl hergestellt sein.Substrates suitable for producing the coated body according to the invention are known. For example, the substrate can be made of a cemented carbide, cermet, cubic boron nitride (pcBN), steel, or high-speed steel.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Grundschicht der Beschichtung aus Aluminium-Titan-Nitrid (AlTiN) und/oder Aluminium-Titan-Silizium-Nitrid (AITiSiN), besonders bevorzugt aus Aluminium-Titan-Nitrid. Aluminium-Titan-Nitrid (AlTiN) eignet sich gut als Grundschicht, da es sehr zäh und hart ist und insbesondere bei hohen Temperaturen, die bei der zerspanenden Metallbearbeitung auftreten, hervorragende Verschleißeigenschaften besitzt.In a preferred embodiment, the base layer of the coating consists of aluminum titanium nitride (AlTiN) and/or aluminum titanium silicon nitride (AITiSiN), particularly preferably aluminum titanium nitride. Aluminum titanium nitride (AlTiN) is well suited as a base layer because it is very tough and hard and has excellent wear properties, especially at the high temperatures that occur during metal cutting.
Beim erfindungsgemäßen verschleißfest beschichteten Körper weist die Grundschicht typischerweise ein AI:Ti Atomverhältnis von 60:40 bis 70:30, vorzugsweise von 62:38 bis 68:32 auf. Für alle Bereichsangaben gilt, dass die angegebenen Endwerte mit umfasst sind.In the case of the wear-resistant coated body according to the invention, the base layer typically has an Al:Ti atomic ratio of from 60:40 to 70:30, preferably from 62:38 to 68:32. For all ranges, the specified end values are included.
Die an die Grundschicht in der Beschichtung angrenzende Deckschicht kannvon 2 bis 10 Wiederholungen, vorzugsweise 3 bis 5 Wiederholungen, der mindestens einen Wechselschicht aus Oxinitridlage und Nitridlage aufweisen. Die Dicke einer Wechselschicht aus Oxinitridlage und Nitridlage liegt bevorzugt in einem Bereich von etwa 0,1 µm bis 1 µm. Die Oxinitridlage und die Nitridlage können jeweils eine Dicke im Bereich von 0,05 bis 0,95 µm aufweisen.The top layer adjacent to the base layer in the coating can have from 2 to 10 repetitions, preferably 3 to 5 repetitions, of the at least one alternating layer of oxynitride layer and nitride layer. The thickness of an alternating layer of oxynitride layer and nitride layer is preferably in a range from about 0.1 μm to 1 μm. The oxynitride layer and the nitride layer can each have a thickness in the range of 0.05 to 0.95 μm.
Die Oxinitridlage in der mindestens einen Wechselschicht ist bevorzugt aus einem Oxinitrid von Aluminium, insbesondere AlOxN1-x, oder einem Oxinitrid von Aluminium und Chrom, insbesondere (Al,Cr)OxN1-x, gebildet, besonders bevorzugt aus Aluminiumoxinitrid, wobei jeweils 0,5 < x ≤ 0,99 ist. Der Anteil von Chrom in dem Oxinitrid von Aluminium und Chrom kann höher, gleich oder niedriger als der Anteil an Aluminium sein. Bevorzugt ist das Oxinitrid von Aluminium und Chrom ein von Aluminiumoxid Al2O3 abgeleitetes und mit Chrom dotiertes Oxinitrid.The oxynitride layer in the at least one alternating layer is preferably formed from an oxynitride of aluminum, in particular AlO x N 1-x , or an oxynitride of aluminum and chromium, in particular (Al,Cr)O x N 1-x , particularly preferably aluminum oxynitride , where in each case 0.5 < x ≤ 0.99. The proportion of chromium in the oxynitride of aluminum and chromium can be higher, equal to or lower than the proportion of aluminum. Preferably, the oxynitride of aluminum and chromium is an oxynitride derived from aluminum oxide Al 2 O 3 and doped with chromium.
Besonders bevorzugt enthält die Oxinitridlage jeweils 1 bis 30 Atom-% Stickstoff, vorzugsweise 2 bis 15 Atom-%. Der Stickstoffanteil in der Oxinitridlage erhöht die Anbindung an die Nitridlage und/oder die Grundschicht und verbessert so die Verschleißfestigkeit der Beschichtung.The oxynitride layer particularly preferably contains 1 to 30 atom % nitrogen, preferably 2 to 15 atom %. The nitrogen content in the oxynitride layer increases the bonding to the nitride layer and/or the base layer and thus improves the wear resistance of the coating.
Weiterhin ist erfindungsgemäß in der mindestens einen Wechselschicht zwischen der Oxinitridlage und der Nitridlage und wahlweise zwischen aufeinanderfolgenden Wechselschichten jeweils eine Zwischenlage vorgesehen, die aus einem Oxinitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall aus der aus Ti, Cr, Si, Zr und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet ist, vorzugsweise aus einem Oxinitrid von Aluminium und Titan, insbesondere (Al,Ti)OxN1-x mit 0 < x < 1, wobei x und/oder das Verhältnis Al/Ti über die Dicke der Zwischenlage variieren können. Die Zwischenlage weist bevorzugt einen Sauerstoffgradienten auf, wobei der Sauerstoffanteil in der Zwischenlage jeweils in Richtung auf die Oxinitridlage zunimmt und/oder in Richtung auf die Nitridlage abnimmt.Furthermore, according to the invention, an intermediate layer is provided in the at least one alternating layer between the oxynitride layer and the nitride layer and optionally between successive alternating layers, which consists of an oxynitride of aluminum and at least one other metal from the group consisting of Ti, Cr, Si, Zr and combinations thereof is formed, preferably from an oxynitride of aluminum and titanium, in particular (Al,Ti)O x N 1-x with 0<x<1, where x and/or the Al/Ti ratio can vary over the thickness of the intermediate layer. The intermediate layer preferably has an oxygen gradient, with the proportion of oxygen in the intermediate layer increasing in the direction of the oxynitride layer and/or decreasing in the direction of the nitride layer.
Durch Anordnung der Zwischenlage zwischen der Oxinitridlage und der darüber liegenden Nitridlage in einer Wechselschicht einerseits sowie zwischen der äußeren Nitridlage einer Wechselschicht und der Oxinitridlage einer auf die Wechselschicht folgenden weiteren Wechselschicht andererseits kann eine noch bessere Anbindung der Oxinitridlagen und Nitridlagen aneinander erreicht werden. Dadurch kann die Verschleißbeständigkeit der Beschichtung weiter verbessert werden.By arranging the intermediate layer between the oxynitride layer and the nitride layer above it in an alternating layer on the one hand and between the outer nitride layer of an alternating layer and the oxynitride layer of a further alternating layer following the alternating layer on the other hand, an even better connection of the oxynitride layers and nitride layers to one another can be achieved. This can further improve the wear resistance of the coating.
Ferner kann die Zwischenlage auch zwischen der Grundschicht und der daran angrenzenden mindestens einen Wechselschicht vorgesehen sein. Die Zwischenlage ist dann direkt auf die Grundschicht aufgebracht, und die mindestens eine Wechselschicht liegt direkt auf der Zwischenlage. Auch in diesem Fall ist die Zwischenlage aus einem Oxinitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall aus der aus Ti, Cr, Si, Zr und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet, vorzugsweise aus einem Oxinitrid von Aluminium und Titan, insbesondere (Al,Ti)OxN1-x mit 0 < x < 1. Die Zwischenlage auf der Grundschicht kann einen in Richtung auf die Oxinitridlage zunehmenden Sauerstoffgradienten und/oder eine variables Verhältnis von Al/Ti über die Dicke der Zwischenlage aufweisen.Furthermore, the intermediate layer can also be provided between the base layer and the at least one alternating layer adjoining it. The intermediate layer is then applied directly to the base layer, and the at least one alternating layer lies directly on the intermediate layer. Also in this case the intermediate layer is formed from an oxynitride of aluminum and at least one other metal from the group consisting of Ti, Cr, Si, Zr and combinations thereof, preferably from an oxynitride of aluminum and titanium, in particular (Al,Ti)O x N 1-x with 0 < x < 1. The spacer on the base layer may have an increasing oxygen gradient towards the oxynitride layer and/or a variable ratio of Al/Ti over the thickness of the spacer.
Bevorzugt weisen die Zwischenlagen eine Dicke im Bereich von kleiner 1 µm, bevorzugt kleiner 0,5 µm und besonders bevorzugt kleiner 0,2 µm auf. Besonders gute Ergebnisse wurden beispielsweise mit einer Schichtdicke der Zwischenlagen im Bereich von 5 bis 100 nm erzielt.The intermediate layers preferably have a thickness in the range of less than 1 μm, preferably less than 0.5 μm and particularly preferably less than 0.2 μm. Particularly good results were achieved, for example, with a layer thickness of the intermediate layers in the range from 5 to 100 nm.
Schließlich kann die Beschichtung zu dekorativen Zwecken und/oder als Gebrauchsindikator eine äußerste Schicht aus TiN, ZrN, CrN oder AlCrN oder Mischungen dieser Verbindungen aufweisen, die gold- bis silberfarbig erscheinen. Die äußerste Schicht ermöglicht es, die Benutzung einer Schneidkante eines mit der äußersten Schicht versehenen Schneidwerkzeugs mit bloßem Auge zu erkennen.Finally, for decorative purposes and/or as a usage indicator, the coating can have an outermost layer of TiN, ZrN, CrN or AlCrN or mixtures of these compounds, which appear gold to silver in colour. The outermost layer makes it possible to recognize the use of a cutting edge of a cutting tool provided with the outermost layer with the naked eye.
Weiter wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch einen beschichteter Körper mit einem Substrat und einer durch physikalisches Aufdampfen auf das Substrat aufgebrachten verschleißfesten Beschichtung, wobei die Beschichtung Folgendes umfasst:
- eine auf das Substrat aufgebrachte Grundschicht in einer Dicke von 1 bis 10 µm, wobei die Grundschicht aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall aus der aus Ti, Cr, Si, Zr und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet ist; und
- eine an die Grundschicht angrenzende Deckschicht in einer Dicke von 0,1 bis 5 µm, wobei die Deckschicht mindestens eine Wechselschicht aus einer Oxinitridlage und einer über der Oxinitridlage angeordneten Nitridlage umfasst,
- wobei die Oxinitridlage aus einem Oxinitrid von Aluminium und wahlweise weiteren Metallen aus der aus Chrom, Hafnium, Zirkonium, Yttrium, Silizium und Kombinationen davon bestehenden Gruppe und die Nitridlage aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall aus der aus Ti, Cr, Si, Zr und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet ist,
- wobei die Oxinitridlage einen Sticktoffanteil von weniger als 50 Atomprozent, bezogen auf den Anteil von Stickstoff und Sauerstoff in der Oxinitridlage, aufweist,
- wobei sowohl zwischen der Grundschicht und der daran angrenzenden mindestens einen Wechselschicht als auch in der mindestens einen Wechselschicht zwischen der Oxinitridlage und der Nitridlage und wahlweise zwischen aufeinanderfolgenden Wechselschichten jeweils eine Zwischenlage vorgesehen ist, die aus einem Oxinitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall aus der aus Ti, Cr, Si, Zr und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet ist.
- a base layer applied to the substrate to a thickness of 1 to 10 µm, the base layer being formed from a nitride of aluminum and at least one other metal from the group consisting of Ti, Cr, Si, Zr and combinations thereof; and
- a cover layer adjoining the base layer with a thickness of 0.1 to 5 µm, the cover layer comprising at least one alternating layer made of an oxynitride layer and a nitride layer arranged over the oxynitride layer,
- wherein the oxynitride layer is an oxynitride of aluminum and optionally other metals from the group consisting of chromium, hafnium, zirconium, yttrium, silicon and combinations thereof and the nitride layer is a nitride of aluminum and at least one other metal from the group consisting of Ti, Cr, Si , Zr and combinations thereof is formed,
- wherein the oxynitride layer has a nitrogen content of less than 50 atomic percent, based on the proportion of nitrogen and oxygen in the oxynitride layer,
- an intermediate layer consisting of an oxynitride of aluminum and at least one other metal from the Ti, Cr, Si, Zr and combinations thereof existing group is formed.
In einem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen verschleißfest beschichteten Körpers wird auf ein Substrat, beispielsweise aus einem Hartmetall, Cermet, pcBN, Stahl oder Schnellarbeitsstahl, durch physikalisches Aufdampfen eine Beschichtung mit einer Grundschicht in einer Dicke von 1 bis 10 µm, bevorzugt 1 bis 5 µm, und besonders bevorzugt von 3 bis 4,5 µm, und einer Deckschicht in einer Dicke von 0,1 bis 5 µm, bevorzugt 0,1 bis 3 µm aufgebracht.In a process for producing the wear-resistant coated body according to the invention, a coating with a base layer with a thickness of 1 to 10 μm is applied to a substrate, for example made of a hard metal, cermet, pcBN, steel or high-speed steel, by physical vapor deposition. preferably 1 to 5 μm, and particularly preferably from 3 to 4.5 μm, and a top layer with a thickness of 0.1 to 5 μm, preferably 0.1 to 3 μm.
Die Grundschicht und die Deckschicht, einschließlich der mindestens zwei Wechselschichten aus Oxinitridlage und Nitridlage sowie wahlweise der Zwischenlagen, können im Wesentlichen durch jedes dafür geeignete PVD-Verfahren abgeschieden werden. Bevorzugt sind jedoch Magnetronsputtern, reaktives Magnetronsputtern, duales Magnetronsputtern, High Power Impulse Magnetronsputtern (HIPIMS) oder die gleichzeitige Anwendung von Kathodenzerstäubung (Sputter-Abscheidung) und Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD). Besonders bevorzugt werden alle Schichten der Beschichtung durch Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD) abgeschieden, da mit diesem Verfahren besonders harte und gleichzeitig dichte Schichten abgeschieden werden können. Die Erfinder haben ferner festgestellt, dass sich die mittels Arc-PVD prozessbedingt generierten Droplets gut nachbehandeln lassen und daher durch dieses Verfahren eine stabile und flexible Herstellungsmethode zur Abscheidung der erfindungsgemäßen Beschichtung bereitgestellt wird.The base layer and the top layer, including the at least two alternating layers of oxynitride layer and nitride layer and optionally the intermediate layers, can essentially be deposited using any suitable PVD method. However, preference is given to magnetron sputtering, reactive magnetron sputtering, dual magnetron sputtering, high power impulse magnetron sputtering (HIPIMS) or the simultaneous use of cathode sputtering (sputter deposition) and arc evaporation (arc-PVD). All layers of the coating are particularly preferably deposited by arc evaporation (arc-PVD), since particularly hard and at the same time dense layers can be deposited with this method. The inventors have also found that the droplets generated as a result of the process by means of arc-PVD can be well post-treated and that this method therefore provides a stable and flexible production method for depositing the coating according to the invention.
Es ist maßgeblich für die vorliegende Erfindung, dass beim Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen verschleißfest beschichteten Körpers während des PVD-Verfahrens zum Aufbringen der Beschichtung auf das Substrat Stickstoff kontinuierlich zugeführt wird, jedoch je nach gewünschter Zusammensetzung der jeweiligen Schichten der Beschichtung entsprechend geregelt.It is decisive for the present invention that nitrogen is continuously supplied during the PVD process for applying the coating to the substrate in the process for producing the wear-resistant coated body according to the invention, but is regulated accordingly depending on the desired composition of the respective layers of the coating.
Gegenstand der Erfindung ist somit auch ein Verfahren zur Herstellung eines verschleißfest beschichteten Körpers, welches die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellen eines Substrats;
- Aufbringen einer Grundschicht auf das Substrat in einer Dicke von 1 bis 10 µm, bevorzugt 1 bis 5 µm, wobei die Grundschicht durch physikalisches Aufdampfen aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall aus der aus Ti, Cr, Si, Zr und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet wird;
- Aufbringen mindestens einer Oxinitridlage über der Grundschicht, wobei die Oxinitridlage durch physikalisches Aufdampfen aus einem Oxinitrid von Aluminium und wahlweise weiteren Metallen aus der aus Chrom, Hafnium, Zirkonium, Yttrium, Silizium und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet wird;
- Aufbringen einer Nitridlage über der Oxinitridlage, wobei die Nitridlage durch physikalisches Aufdampfen aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall aus der aus Ti, Cr, Si, Zr und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet wird, und
- wahlweise Wiederholen der Schritte des Aufbringens der Oxinitridlage und der Nitridlage;
- dadurch gekennzeichnet, dass Stickstoff während des Aufdampfens der Grundschicht, der Oxinitridlage und der Nitridlage kontinuierlich und geregelt zugeführt wird.
- providing a substrate;
- Applying a base layer to the substrate to a thickness of 1 to 10 µm, preferably 1 to 5 µm, the base layer being formed by physical vapor deposition of a nitride of aluminum and at least one other metal selected from Ti, Cr, Si, Zr and combinations thereof existing group is formed;
- depositing at least one oxynitride layer over the base layer, the oxynitride layer being formed by physical vapor deposition of an oxynitride of aluminum and optionally other metals from the group consisting of chromium, hafnium, zirconium, yttrium, silicon and combinations thereof;
- depositing a nitride layer over the oxynitride layer, the nitride layer being formed by physical vapor deposition of a nitride of aluminum and at least one other metal from the group consisting of Ti, Cr, Si, Zr and combinations thereof, and
- optionally repeating the steps of depositing the oxynitride layer and the nitride layer;
- characterized in that nitrogen is supplied continuously and in a controlled manner during the evaporation of the base layer, the oxynitride layer and the nitride layer.
Bevorzugt liegt der N2-Partialdruck während des Aufbringens der Grundschicht und/oder einer Nitridlage in der mindestens einen Wechselschicht der Deckschicht in einem Bereich von 1 bis 8 Pa, bevorzugt 2 bis 5 Pa und weiter bevorzugt 3 bis 4 Pa.The N 2 partial pressure during the application of the base layer and/or a nitride layer in the at least one alternating layer of the cover layer is preferably in a range from 1 to 8 Pa, preferably 2 to 5 Pa and more preferably 3 to 4 Pa.
Als Kathode kann insbesondere eine gemischte Al/Ti-Kathode, wahlweise dotiert mit Cr, Si und/oder Zr, verwendet werden. Das Atomverhältnis der Al/Ti-Kathode liegt vorzugsweise im Bereich von 60:40 bis 70:30. Der Kathodenstrom liegt bei diesem Verfahrensschritt bevorzugt in einem Bereich von 150 bis 250 A, weiter bevorzugt in einem Bereich von 180 bis 220 A.In particular, a mixed Al/Ti cathode, optionally doped with Cr, Si and/or Zr, can be used as the cathode. The atomic ratio of the Al/Ti cathode is preferably in the range of 60:40 to 70:30. The cathode current in this process step is preferably in a range from 150 to 250 A, more preferably in a range from 180 to 220 A.
Im Verfahrensschritt zum Aufdampfen der Oxinitridlage wird Sauerstoff in einer Menge von 10 bis 100 Standardkubikzentimeter/Minute (sccm), vorzugsweise in einer Menge 40 bis 60 sccm zugeführt. Dabei wird erfindungsgemäß weiterhin Stickstoff zugeführt, unter Beibehaltung eines Stickstoffpartialdrucks im Bereich von 1 bis 8 Pa, bevorzugt 2 bis 5 Pa und weiter bevorzugt 3 bis 4 Pa. Insbesondere kann der Stickstoffpartialdruck während des Aufdampfens der Oxinitridlage niedriger geregelt werden als beim Aufdampfen der Grundschicht oder einer Nitridlage der Wechselschicht. Besonders bevorzugt beträgt der Stickstoffpartialdruck während des Aufbringens der Oxinitridlage etwa 70 bis 90% des Partialdrucks während des Aufbringens der Nitridlage.In the oxynitride layer vapor deposition step, oxygen is supplied at a rate of 10 to 100 standard cubic centimeters/minute (sccm), preferably at a rate of 40 to 60 sccm. According to the invention, nitrogen is also supplied while maintaining a nitrogen partial pressure in the range from 1 to 8 Pa, preferably 2 to 5 Pa and more preferably 3 to 4 Pa. In particular, the nitrogen partial pressure during the evaporation of the oxynitride layer can be regulated lower than during the evaporation of the base layer or a nitride layer of the alternating layer. More preferably, the nitrogen partial pressure during deposition of the oxynitride layer is about 70 to 90% of the partial pressure during deposition of the nitride layer.
Als Kathode zum Aufdampfen der Oxinitridlage kann insbesondere eine Aluminiumkathode, wahlweise dotiert mit Chrom, Hafnium, Zirkonium, Yttrium und/oder Silizium, und insbesondere eine gemischte Al/Cr-Kathode, eingesetzt werden. Der Kathodenstrom liegt während des Aufbringens der Oxinitridlage bevorzugt ein einem Bereich von 100 bis 140 A.In particular, an aluminum cathode, optionally doped with chromium, hafnium, zirconium, yttrium and/or silicon, and in particular a mixed cathode, can be used as the cathode for vapor-depositing the oxynitride layer Al/Cr cathode can be used. The cathode current during the application of the oxynitride layer is preferably in a range from 100 to 140 A.
Vorzugsweise wird beim Aufdampfen einer Oxinitridlage die Menge an zugeführtem Sauerstoff konstant gehalten.The amount of oxygen supplied is preferably kept constant during the vapor deposition of an oxynitride layer.
Zur Bildung der Zwischenlagen vor und/oder nach dem Aufbringen einer Oxinitridlage kann die Sauerstoffzufuhr in Form einer steigenden oder fallenden Rampe mit zunehmenden bzw. abnehmenden Volumenstrom zugeführt werden. Insbesondere kann die Sauerstoffzufuhr nach Abscheidung einer Nitridlage in Richtung auf die nachfolgende Oxidlage mit stufenweise oder stetig zunehmendem Volumenstrom und nach Abscheidung einer Oxinitridlage in Richtung auf die folgende Nitridlage mit stufenweise oder stetig abnehmendem Volumenstrom erfolgen.To form the intermediate layers before and/or after the application of an oxynitride layer, the oxygen can be supplied in the form of a rising or falling ramp with an increasing or decreasing volume flow. In particular, the oxygen supply can take place after deposition of a nitride layer in the direction of the following oxide layer with a stepwise or steadily increasing volume flow and after deposition of an oxynitride layer in the direction of the following nitride layer with stepwise or steadily decreasing volume flow.
Bevorzugt variiert der während der Bildung der Zwischenlage zugeführte Volumenstrom von Sauerstoff in einem Bereich von etwa 50% bis 100% des beim Aufbringen der Oxinitridlage zugeführten Volumenstroms. Beim Übergang von der Grundschicht oder einer Nitridlage zu einer Oxinitridlage wird der Sauerstoff-Volumenstrom vorzugweise in Form einer ansteigenden Rampe geregelt. Beim Übergang von einer Oxinitridlage zu einer angrenzenden Nitridlage wird der Volumenstrom des Sauerstoffs bevorzugt in Form einer fallenden Rampe geregelt.The volume flow of oxygen supplied during the formation of the intermediate layer preferably varies in a range from approximately 50% to 100% of the volume flow supplied during the application of the oxynitride layer. During the transition from the base layer or a nitride layer to an oxynitride layer, the oxygen volume flow is preferably regulated in the form of an increasing ramp. During the transition from an oxynitride layer to an adjacent nitride layer, the volume flow of the oxygen is preferably controlled in the form of a falling ramp.
Der Stickstoff-Partialdruck wird während der Bildung der Zwischenlage bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 8 Pa, bevorzugt von 2 bis 5 Pa gehalten. Insbesondere wird der Stickstoff-Partialdruck während des Aufbringens einer Zwischenlage niedriger geregelt als beim Aufbringen einer Nitridlage. Besonders bevorzugt beträgt der Stickstoffpartialdruck während des Aufbringens der Zwischenlage etwa 70 bis 90% des Partialdrucks während des Aufbringens der Nitridlage.The nitrogen partial pressure is preferably kept in a range of 1 to 8 Pa, preferably 2 to 5 Pa during the formation of the intermediate layer. In particular, the nitrogen partial pressure is controlled lower during the deposition of an intermediate layer than during the deposition of a nitride layer. More preferably, the nitrogen partial pressure during the application of the intermediate layer is about 70 to 90% of the partial pressure during the application of the nitride layer.
Zum Aufbringen der Zwischenlage wird bevorzugt die für das Aufbringen der Grundschicht und der Nitridlage verwendete Kathode zusammen mit einer weiteren Aluminiumkathode verwendet. Bevorzugt liegt der Kathodenstrom an der Aluminiumkathode während des Aufbringens der Zwischenlage im Bereich von 100 bis 140 A, und der Kathodenstrom an der Al/Ti -Kathode liegt im Bereich von 120 bis 180 A, und bevorzugt zwischen etwa 120 und 160 A.To apply the intermediate layer, the cathode used for applying the base layer and the nitride layer is preferably used together with a further aluminum cathode. Preferably, the cathodic current at the aluminum cathode is in the range of 100 to 140 amps during interlayer deposition, and the cathodic current at the Al/Ti cathode is in the range of 120 to 180 amps, and preferably between about 120 and 160 amps.
Gegenstand der Erfindung ist weiterauch ein Verfahren zur Herstellung eines verschleißfest beschichteten Körpers, welches die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellen eines Substrats;
- Aufbringen einer Grundschicht auf das Substrat in einer Dicke von 1 bis 10 µm, wobei die Grundschicht durch physikalisches Aufdampfen aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall aus der aus Ti, Cr, Si, Zr und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet wird;
- Aufbringen mindestens einer Oxinitridlage über der Grundschicht, wobei die Oxinitridlage durch physikalisches Aufdampfen aus einem Oxinitrid von Aluminium und wahlweise weiteren Metallen aus der aus Chrom, Hafnium, Zirkonium, Yttrium, Silizium und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet wird;
- Aufbringen einer Nitridlage über der Oxinitridlage unter Bildung einer Wechselschicht, wobei die Nitridlage durch physikalisches Aufdampfen aus einem Nitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall aus der aus Ti, Cr, Si, Zr und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet wird, und
- wahlweise Wiederholen der Schritte des Aufbringens der Oxinitridlage und der Nitridlage;
- dadurch gekennzeichnet, dass Stickstoff während des Aufdampfens der Grundschicht, der Oxinitridlage und der Nitridlage kontinuierlich und geregelt zugeführt wird, und
- wobei sowohl zwischen der Grundschicht und der daran angrenzenden mindestens einen Wechselschicht als auch nach dem Aufbringen der Oxinitridlage und wahlweise nach dem Aufbringen der Nitridlage jeweils eine Zwischenlage durch physikalisches Aufdampfen aufgebracht wird, wobei die Zwischenlage aus einem Oxinitrid von Aluminium und wenigstens einem weiteren Metall aus der aus Ti, Cr, Si, Zr und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gebildet wird.
- providing a substrate;
- applying a base layer to the substrate to a thickness of 1 to 10 µm, the base layer being formed by physical vapor deposition of a nitride of aluminum and at least one other metal from the group consisting of Ti, Cr, Si, Zr and combinations thereof;
- depositing at least one oxynitride layer over the base layer, the oxynitride layer being formed by physical vapor deposition of an oxynitride of aluminum and optionally other metals from the group consisting of chromium, hafnium, zirconium, yttrium, silicon and combinations thereof;
- depositing a nitride layer over the oxynitride layer to form an alternating layer, the nitride layer being formed by physical vapor deposition of a nitride of aluminum and at least one other metal from the group consisting of Ti, Cr, Si, Zr and combinations thereof, and
- optionally repeating the steps of depositing the oxynitride layer and the nitride layer;
- characterized in that nitrogen is supplied continuously and in a controlled manner during the vapor deposition of the base layer, the oxynitride layer and the nitride layer, and
- wherein an intermediate layer is applied by physical vapor deposition both between the base layer and the at least one alternating layer adjoining it and also after the application of the oxynitride layer and optionally after the application of the nitride layer, wherein the intermediate layer consists of an oxynitride of aluminum and at least one other metal from the group consisting of Ti, Cr, Si, Zr and combinations thereof.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform. Die folgenden Beispiele dienen jedoch nur zur Erläuterung der Erfindung und sollen nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden.Further features and advantages of the present invention result from the following description of a preferred embodiment. However, the following examples serve only to illustrate the invention and are not to be construed in a limiting sense.
Herstellungsbeispiel 1Production example 1
In einer PVD-Beschichtungsanlage des Typs Innova™ der Firma Oerlikon-Balzers wurde ein Substrat für ein Schneidwerkzeug aus Wolframcarbid-Hartmetall mit etwa 10 Gew.-% Co durch Lichtbogenverdampfen mit einer Grundschicht aus AlTiN und einer Deckschicht aus drei aufeinanderfolgenden Wechselschichten mit jeweils einer Oxinitridlage aus AlOxN1-x und einer Nitridlage aus AlTiN versehen.In an Innova™ PVD coating system from Oerlikon-Balzers, a substrate for a cutting tool made of tungsten carbide hard metal with about 10% by weight Co was coated by arc evaporation with a base layer of AlTiN and a top layer of three successive alternating layers, each with an oxynitride layer made of AlO x N 1-x and a nitride layer made of AlTiN.
Zwischen der Grundschicht und der Oxinitridlage der ersten Wechselschicht, zwischen der Oxinitridlage und der Nitridlage einer jeden Wechselschicht und zwischen den aneinander angrenzenden Wechselschichten wurde jeweils eine Zwischenlage aus AlTiOxN1-x mit einem Sauerstoffgradienten abgeschieden.An intermediate layer of AlTiO x N 1-x with an oxygen gradient was deposited between the base layer and the oxynitride layer of the first alternating layer, between the oxynitride layer and the nitride layer of each alternating layer and between the adjacent alternating layers.
Zur Abscheidung der titanhaltigen Schichten wurde eine Kathode mit einer Zusammensetzung AI67Ti33 (Atom-%) verwendet. Der Stickstoffpartialdruck wurde während der Gesamtdauer der Beschichtung in einem Bereich von 3,0 bis 3,5 Pa geregelt. Sauerstoff wurde während der Abscheidung der Oxinitridlagen und der Zwischenlagen mit einem Volumenstrom von 30 bis 50 sscm zugeführt.A cathode with a composition Al67Ti33 (atomic %) was used to deposit the titanium-containing layers. The nitrogen partial pressure was controlled in a range of 3.0 to 3.5 Pa throughout the duration of the coating. Oxygen was supplied at a flow rate of 30 to 50 sscm during the deposition of the oxynitride layers and the intermediate layers.
Die AlTiN-Grundschicht hatte eine Dicke von 3,7 µm. Die Gesamtdicke der Deckschicht betrug 1,9 µm, so dass sich eine Gesamtdicke der Beschichtung von 5,6 µm ergab.The AlTiN base layer had a thickness of 3.7 µm. The total thickness of the top layer was 1.9 μm, resulting in a total coating thickness of 5.6 μm.
Weitere Parameter der auf dem Substrat abgeschiedenen Beschichtung sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben: Tabelle 1: PVD-Beschichtungsaufbau
Herstellungsbeispiel 2Production example 2
Ein Substrat für ein Schneidwerkzeug aus Wolframcarbid-Hartmetall mit etwa 10 Gew.-% Co wurde in einer PVD-Beschichtungsanlage durch Lichtbogenverdampfen mit einer Grundschicht aus AlTiN und einer Deckschicht aus einer einzelnen Wechselschicht mit einer Oxinitridlage aus (Al,Cr)OxN1-x und einer Nitridlage aus AlTiN versehen.A substrate for a cutting tool made of tungsten carbide cemented carbide with about 10 wt -x and a nitride layer made of AlTiN.
Zwischen der Grundschicht und der Oxinitridlage der Wechselschicht sowie zwischen der Oxinitridlage und der Nitridlage in der Wechselschicht wurde jeweils eine Zwischenlage aus (Al,Cr)TiOxN1-x mit einem Sauerstoffgradienten abgeschieden.An intermediate layer of (Al,Cr)TiO x N 1-x with an oxygen gradient was deposited between the base layer and the oxynitride layer of the alternating layer and between the oxynitride layer and the nitride layer in the alternating layer.
Die Abscheidung der jeweiligen Schichten erfolgte entsprechend den in Herstellungsbeispiel 1 angegebenen Parametern. Zur Abscheidung der Oxinitridlage sowie der Zwischenlage wurde anstelle der Aluminiumkathode eine Kathode mit einer Zusammensetzung AI70Cr30 (Atom-%) verwendet. Die Abscheidung der Grundschicht und der Nitridlage erfolgte jeweils unter Verwendung einer AlTi-Kathode.The respective layers were deposited in accordance with the parameters given in Preparation Example 1. For the deposition of the oxynitride layer and the intermediate layer, instead of the aluminum nium cathode used a cathode with a composition AI70Cr30 (atomic %). The base layer and the nitride layer were each deposited using an AlTi cathode.
Die AlTiN-Grundschicht hatte eine Dicke von 3,6 µm. Die Gesamtdicke der Deckschicht betrug 0,8 µm, so dass sich eine Gesamtdicke der Beschichtung von 4,4 µm ergab.The AlTiN base layer had a thickness of 3.6 µm. The total thickness of the top layer was 0.8 μm, resulting in a total coating thickness of 4.4 μm.
Herstellungsbeispiel 3Production example 3
In einer PVD-Beschichtungsanlage wurde ein Hartmetallsubstrat für ein Schneidwerkzeug aus 85,5 Gew.-% Wolframcarbid, 2,5 Gew.-% Mischcarbiden und 12 Gew.-% Co mit einer Grundschicht aus AlTiN und einer Deckschicht aus drei aufeinanderfolgenden Wechselschichten mit jeweils einer Oxinitridlage aus AlOxN1-x und einer Nitridlage aus AlTiN hergestellt.A hard metal substrate for a cutting tool made of 85.5% by weight of tungsten carbide, 2.5% by weight of mixed carbides and 12% by weight of Co with a base layer of AlTiN and a top layer of three successive alternating layers, each with an oxynitride layer made of AlO x N 1-x and a nitride layer made of AlTiN.
Zwischen der Grundschicht und der Oxinitridlage der ersten Wechselschicht, zwischen der Oxinitridlage und der Nitridlage einer jeden Wechselschicht und zwischen den aneinander angrenzenden Wechselschichten wurde jeweils eine Zwischenlage aus AlTiOxN1-x mit einem Sauerstoffgradienten abgeschieden. Die weiteren Beschichtungsparameter entsprachen denen von Herstellungsbeispiel 1.An intermediate layer of AlTiO x N 1-x with an oxygen gradient was deposited between the base layer and the oxynitride layer of the first alternating layer, between the oxynitride layer and the nitride layer of each alternating layer and between the adjacent alternating layers. The other coating parameters corresponded to those of production example 1.
Die AlTiN-Grundschicht hatte eine Dicke von 3,5 µm. Die Gesamtdicke der Deckschicht betrug 1,8 µm, so dass sich eine Gesamtdicke der Beschichtung von 5,3 µm ergab.The AlTiN base layer had a thickness of 3.5 µm. The total thickness of the top layer was 1.8 μm, resulting in a total coating thickness of 5.3 μm.
Herstellungsbeispiel 4Production example 4
Ein Hartmetallsubstrat für ein Schneidwerkzeug aus 81,5 Gew.-% Wolframcarbid, 10,5 Gew.-% kubischen Mischkarbiden und 8 Gew.-% Co wurde in einer PVD-Beschichtungsanlage mit einer Grundschicht aus AlTiN und einer Deckschicht aus drei aufeinanderfolgenden Wechselschichten mit jeweils einer Oxinitridlage aus (Al,Cr)OxN1-x und einer Nitridlage aus AlTiN versehen.A hard metal substrate for a cutting tool made of 81.5% by weight of tungsten carbide, 10.5% by weight of cubic mixed carbides and 8% by weight of Co was coated in a PVD coating system with a base layer of AlTiN and a top layer of three successive alternating layers with each provided with an oxynitride layer made of (Al,Cr)O x N 1-x and a nitride layer made of AlTiN.
Zwischen der Grundschicht und der Oxinitridlage der Wechselschicht sowie zwischen der Oxinitridlage und der Nitridlage in der Wechselschicht wurde jeweils eine Zwischenlage aus (Al,Cr)TiOxN1-x mit einem Sauerstoffgradienten abgeschieden.An intermediate layer of (Al,Cr)TiO x N 1-x with an oxygen gradient was deposited between the base layer and the oxynitride layer of the alternating layer and between the oxynitride layer and the nitride layer in the alternating layer.
Die Abscheidung der jeweiligen Schichten erfolgte entsprechend den in Herstellungsbeispiel 1 angegebenen Parametern. Zur Abscheidung der Oxinitridlagen sowie der Zwischenlagen wurde anstelle der Aluminiumkathode eine Kathode mit einer Zusammensetzung AI85Cr15 (Atom-%) verwendet.The respective layers were deposited in accordance with the parameters given in Preparation Example 1. To deposit the oxynitride layers and the intermediate layers, a cathode with a composition Al85Cr15 (atomic %) was used instead of the aluminum cathode.
Die AlTiN-Grundschicht hatte eine Dicke von 3,1 µm. Die Gesamtdicke der Deckschicht betrug 1,8 µm, so dass sich eine Gesamtdicke der Beschichtung von 4,9 µm ergab.The AlTiN base layer had a thickness of 3.1 µm. The total thickness of the top layer was 1.8 μm, resulting in a total coating thickness of 4.9 μm.
Vergleichsbeispiel 1Comparative example 1
Zum Vergleich wurden die Hartmetallsubstrate der Herstellungsbeispiele 1 bis 4 in einer PVD-Beschichtungsanlage des Typs Innova™ der Fa. Oerlikon-Balzers durch Lichtbogenverdampfung mit einer AlTiN-Beschichtung versehen. Das Atomverhältnis AI:Ti betrug etwa 67:33. Die AlTiN-Beschichtung hatte eine Dicke im Bereich von etwa 3,3 bis 4,1 µm.For comparison, the hard metal substrates of production examples 1 to 4 were provided with an AlTiN coating by arc evaporation in an Innova™ type PVD coating system from Oerlikon-Balzers. The Al:Ti atomic ratio was about 67:33. The AlTiN coating ranged in thickness from about 3.3 to 4.1 µm.
Vergleichsbeispiel 2Comparative example 2
In einer PVD-Beschichtungsanlage wurde ein Hartmetallsubstrat für ein Schneidwerkzeug aus 85,5 Gew.-% Wolframcarbid, 2,5 Gew.-% Mischcarbiden und 12 Gew.-% Co mit einer Grundschicht aus AlTiN und einer Deckschicht aus einer einzelnen Wechselschicht mit einer Oxinitridlage aus (Al,Cr)2O3 und einer Nitridlage aus AlTiN versehen. Zur Abscheidung der Oxinitridlage wurde eine Kathode mit einem Atomverhältnis von Al:Cr von 70:30 verwendet.In a PVD coating system, a hard metal substrate for a cutting tool made of 85.5% by weight of tungsten carbide, 2.5% by weight of mixed carbides and 12% by weight of Co with a base layer of AlTiN and a top layer of a single alternating layer with a Oxinitride layer made of (Al,Cr) 2 O 3 and a nitride layer made of AlTiN. A cathode with an Al:Cr atomic ratio of 70:30 was used to deposit the oxynitride layer.
Die AlTiN-Grundschicht hatte eine Dicke von 2,8 µm. Die Gesamtdicke der Deckschicht betrug 2,0 µm, so dass sich eine Gesamtdicke der Beschichtung von 4,8 µm ergabThe AlTiN base layer had a thickness of 2.8 µm. The total thickness of the top layer was 2.0 μm, resulting in a total coating thickness of 4.8 μm
Zerspanversuch 1Cutting test 1
In Fräsversuchen mit einem 6-zähnigen Planfräser an einem Werkstück aus Stahl der Sorte 1.4301 wurden Schneidwerkzeuge gemäß Herstellungsbeispiel 1 mit einer Schneidplattengeometrie HNGJ0905ANSN-GD eingesetzt und mit entsprechenden Schneidwerkzeugen verglichen, die gemäß Vergleichsbeispiel 1 beschichtet waren.Cutting tools according to production example 1 with a cutting plate geometry HNGJ0905ANSN-GD were used in milling tests with a 6-tooth face milling cutter on a workpiece made of steel of grade 1.4301 and compared with corresponding cutting tools which were coated according to comparative example 1.
Der Fräser wurde im Einzahnversuch mit einer Schnittgeschwindigkeit vc von 120 m/min, einer Schnitttiefe ap von 1 mm bei einer Eingriffsbreite von 55 mm betrieben. Der Zahnvorschub betrug 0,25 mm. Die Fräsbearbeitung erfolgte trocken, ohne Kühlung.In the single-tooth test, the milling cutter was operated at a cutting speed vc of 120 m/min, a cutting depth ap of 1 mm and an engagement width of 55 mm. The tooth advance was 0.25 mm. Milling was done dry, without cooling.
Das Standzeitende wurde durch einen Freiflächenverschleiß > 0,2 mm oder Bruch der Schneidkante definiert.The end of the tool life was defined by flank wear > 0.2 mm or fracture of the cutting edge.
Mit den erfindungsgemäß beschichteten Schneidwerkzeugen konnte eine Standzeit von 7,5 m Fräslänge erreicht werden. Die Standzeit der gemäß Vergleichsbeispiel 1 beschichteten Schneidwerkzeuge betrug nur 4,5 m.A service life of 7.5 m milling length could be achieved with the cutting tools coated according to the invention. The service life of the cutting tools coated according to Comparative Example 1 was only 4.5 m.
Zerspanversuch 2cutting test 2
In Fräsversuchen mit einem 6-zähnigen Planfräser an einem Werkstück aus Stahl der Sorte 1.4301 wurden Schneidwerkzeuge gemäß Herstellungsbeispiel 2 mit einer Schneidplattengeometrie HNGJ0905ANSN-GD eingesetzt und mit entsprechenden Schneidwerkzeugen verglichen, die gemäß Vergleichsbeispiel 1 beschichtet waren.Cutting tools according to production example 2 with a cutting plate geometry HNGJ0905ANSN-GD were used in milling tests with a 6-tooth face milling cutter on a workpiece made of steel of grade 1.4301 and compared with corresponding cutting tools which were coated according to comparative example 1.
Der Fräser wurde im Einzahnversuch mit einer Schnittgeschwindigkeit vc von 100 m/min, einer Schnitttiefe ap von 1 mm bei einer Eingriffsbreite von 50 mm betrieben. Der Zahnvorschub betrug 0,25 mm. Die Fräsbearbeitung erfolgte mit Emulsionskühlung.In the single-tooth test, the milling cutter was operated at a cutting speed vc of 100 m/min, a cutting depth ap of 1 mm and an engagement width of 50 mm. The tooth advance was 0.25 mm. Milling was done with emulsion cooling.
Das Standzeitende wurde durch einen Freiflächenverschleiß > 0,2 mm oder Bruch der Schneidkante definiert.The end of the tool life was defined by flank wear > 0.2 mm or fracture of the cutting edge.
Mit den erfindungsgemäß beschichteten Schneidwerkzeugen konnte eine Standzeit von 2,4 m Fräslänge erreicht werden. Die Standzeit der gemäß Vergleichsbeispiel 1 beschichteten Schneidwerkzeuge betrug nur 1,8 m.A service life of 2.4 m milling length could be achieved with the cutting tools coated according to the invention. The service life of the cutting tools coated according to Comparative Example 1 was only 1.8 m.
Zerspanversuch 3cutting test 3
In Fräsversuchen mit einem 6-zähnigen Eckfräser an einem Werkstück aus Stahl der Sorte 1.4301 wurden Schneidwerkzeuge gemäß Herstellungsbeispiel 3 mit einer Schneidplattengeometrie XPHT160412 eingesetzt und mit entsprechenden Schneidwerkzeugen gemäß den Vergleichsbeispielen 1 und 2 verglichen.Cutting tools according to production example 3 with a cutting plate geometry XPHT160412 were used in milling tests with a 6-tooth shoulder milling cutter on a workpiece made of steel of grade 1.4301 and compared with corresponding cutting tools according to comparative examples 1 and 2.
Der Fräser wurde im Einzahnversuch mit einer Schnittgeschwindigkeit vc von 250 m/min, einer Schnitttiefe ap von 2,5 mm bei einer Eingriffsbreite von 24 mm betrieben. Der Zahnvorschub betrug 0,15 mm. Die Fräsbearbeitung erfolgte ohne Kühlung.In the single-tooth test, the milling cutter was operated at a cutting speed vc of 250 m/min, a cutting depth ap of 2.5 mm and an engagement width of 24 mm. The tooth advance was 0.15 mm. Milling was done without cooling.
Das Standzeitende wurde durch einen Freiflächenverschleiß > 0,3 mm oder Bruch der Schneidkante definiert.The end of the tool life was defined by flank wear > 0.3 mm or fracture of the cutting edge.
Mit den erfindungsgemäß beschichteten Schneidwerkzeugen konnte eine Standzeit von 2,1 m Fräslänge erreicht werden. Die Standzeit der gemäß den Vergleichsbeispielen 1 und 2 beschichteten Schneidwerkzeuge betrug jeweils nur 1,2 m.A service life of 2.1 m milling length could be achieved with the cutting tools coated according to the invention. The service life of the cutting tools coated according to Comparative Examples 1 and 2 was only 1.2 m in each case.
Zerspanversuch 4Cutting test 4
In Fräsversuchen mit einem 6-zähnigen Eckfräser an einem Werkstück aus Kugelgraphit der Sorte EN-GJS-700 wurden Schneidwerkzeuge gemäß Herstellungsbeispiel 4 mit einer Schneidplattengeometrie XPHT160412 eingesetzt und mit entsprechenden Schneidwerkzeugen gemäß Vergleichsbeispiel 1 verglichen.Cutting tools according to production example 4 with a cutting plate geometry XPHT160412 were used in milling tests with a 6-tooth shoulder milling cutter on a workpiece made of nodular graphite of the EN-GJS-700 type and compared with corresponding cutting tools according to comparative example 1.
Der Fräser wurde im Einzahnversuch mit einer Schnittgeschwindigkeit vc von 250 m/min, einer Schnitttiefe ap von 1 mm bei einer Eingriffsbreite von 20 mm betrieben. Der Zahnvorschub betrug 0,25 mm. Die Fräsbearbeitung erfolgte ohne Kühlung.In the single-tooth test, the milling cutter was operated at a cutting speed vc of 250 m/min, a cutting depth ap of 1 mm and an engagement width of 20 mm. The tooth advance was 0.25 mm. Milling was done without cooling.
Das Standzeitende wurde durch einen Freiflächenverschleiß > 0,1 mm oder Bruch der Schneidkante definiert.The end of the tool life was defined by flank wear > 0.1 mm or fracture of the cutting edge.
Mit den erfindungsgemäß beschichteten Schneidwerkzeugen konnte eine Standzeit von 12,8 m Fräslänge erreicht werden. Die Standzeit der gemäß Vergleichsbeispiel 1 beschichteten Schneidwerkzeuge betrug nur 9,0 m.A service life of 12.8 m milling length could be achieved with the cutting tools coated according to the invention. The service life of the cutting tools coated according to Comparative Example 1 was only 9.0 m.
Die erfindungsgemäße Beschichtung ermöglicht somit eine Verlängerung der Standzeit von Schneidwerkzeugen um mehr als 30%, teilweise erheblich mehr als 70 %.The coating according to the invention thus makes it possible to increase the service life of cutting tools by more than 30%, in some cases significantly more than 70%.
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